Конечномерный анализ конструкционной колонны и внеплоскостной работы поврежденной стальной рамы с заполнением стеной

Почему эти стены важны при землетрясениях

Когда происходит землетрясение, кирпичные или блочные стены, заполняющие проемы в каркасе здания, часто принимают на себя первый удар. Такие «заполняющие» стены обычно считают ненесущими перегородками, но на практике они тихо помогают удерживать здание. В этом исследовании предлагается новый, более простой способ изготовления узких вертикальных колонн внутри таких стен и задается ключевой вопрос: сможет ли такое упрощенное решение защитить стену — и людей внутри — когда удар с одной стороны выведет стену из плоскости, как книгу, падающую с полки?

Как ведут себя обычные стены при движении грунта

Во многих современных зданиях каркас из стали или бетона заполняют кладочными стенами. Во время землетрясения эти стены взаимодействуют с каркасом сложными способами. Они могут повысить жесткость всей конструкции и поглощать энергию, но также могут трескаться и разрушаться. Одним из критических уязвимостей является внеплоскостное разрушение, когда стена выгибается и выпячивается в сторону и может обрушиться наружу. Наблюдения после прошлых землетрясений показали, что введение узких вертикальных «конструкционных колонн» внутри стены значительно повышает ее устойчивость. Однако привычный метод — бетонирование таких колонн на месте — требует нескольких дней работы, тщательной опалубки и вибрации, и часто страдает от проблем с качеством.

Более простая идея колонны внутри стены

Чтобы решить эти практические трудности, авторы изучают сборную конструкционную колонну, которая возводится вместе со стеной в одном упрощенном шаге. Вместо сборки опалубки с последующей заливкой и вибрированием бетона строители вставляют сборные блоки и арматуру по мере кладки кирпича, а затем заполняются пустоты раствором. Такой подход сокращает время возведения одной стены с трех дней до одного и снижает прямые затраты примерно на 30 процентов. Ранние испытания показали, что сборные колонны более гибкие, чем традиционные монолитные, что соответствует желаемой концепции: прочный каркас и чуть более слабая стена — основная несущая система остается целой, а повреждения концентрируются в заменяемой заполнении.

Виртуальные испытания с детализированными компьютерными моделями

Используя предыдущие полноразмерные эксперименты в качестве ориентира, команда создала три высокоточные компьютерные модели одноэтажной стальной рамы с кирпичной заполненной стеной: без внутренней колонны, с обычной монолитной конструкционной колонной и с новой сборной версией. Они тщательно смоделировали кирпичи, раствор, стальной каркас, арматуру и контактные поверхности, затем провели имитацию цикличных внутренне-плоскостных колебаний (боковое смещение) с последующей внеплоскостной нагрузкой, толкающей стену перпендикулярно ее поверхности. Эти симуляции воспроизвели ключевые признаки, наблюдаемые в лабораторных испытаниях, включая формирование диагональных трещин, смятие или разъединение частей стены и перераспределение нагрузок между каркасом и заполнением, что дает уверенность, что модели адекватно отражают реальное поведение.

Что происходит, когда стены выдавливает из плоскости

Результаты показывают, что конструкционные колонны значительно меняют способ, которым стена прогибается и трескается при внеплоскостной нагрузке. В стене без колонны средняя зона сильно выдвигается наружу, а трещины распространяются по Х‑образной схеме, образуя единую арку между боковыми колоннами. При наличии монолитной колонны стена фактически делится на две более короткие панели, каждая из которых образует собственную арку. Это уменьшает выпячивание в центре и смещает трещины к краям колонн. Сборная колонна вызывает похожее поведение с двумя арками, но повреждения концентрируются больше в стыках между ее сборными блоками, где раствор более уязвим. В целом оба типа колонн снижают максимальное внеплоскостное смещение в центральной зоне стены.

Сколько прочности прибавляется или теряется

Цифры из симуляций подчёркивают компромиссы. По сравнению со стеной без внутренней колонны монолитная колонна более чем удваивает внеплоскостную несущую способность, тогда как сборная колонна почти удваивает её. Оба варианта также повышают пластичность стены, позволяя ей деформироваться сильнее до потери прочности, и снижают то, насколько внутренне‑плоскостные повреждения ослабляют внеплоскостную работоспособность. Однако очень жесткая монолитная колонна притягивает большие силы при внутренне‑плоскостных колебаниях, что может привести к более локализованным повреждениям, когда стену затем выталкивают из плоскости. Более гибкая сборная колонна дает меньший прирост в чистых числах, но лучше ограничивает внеплоскостные смещения и ущерб после того, как стена уже треснула в плоскости.

Что это значит для более безопасного и быстрого строительства

Для неспециалистов главный вывод прост: добавление тонких вертикальных колонн внутри кладочных заполнений существенно снижает вероятность выпячивания и обрушения стены из каркаса во время или после землетрясения, а продуманная сборная версия может обеспечить большую часть этой защиты при более простой и дешевой технологии строительства. Монолитная колонна по-прежнему обеспечивает наибольшую абсолютную прочность, но новая сборная колонна предлагает перспективный баланс безопасности, пластичности, скорости возведения и стоимости. Поскольку в исследовании рассматриваются одноэтажные рамы и один тип стены, прежде чем распространять выводы на многоэтажные здания или другие материалы кладки, потребуется дополнительная работа. Тем не менее результаты указывают на практичные, реализуемые детали, которые могут помочь обычным стенам тихо выполнять спасительную работу, когда земля начинает дрожать.

Цитирование: Wang, Z., Luo, H., Lin, H. et al. Finite element analysis of a constructional column on the out-of-plane performance of the damaged steel frame-infilled wall. Sci Rep 16, 11177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39054-w

Ключевые слова: стеновые заполнения из кладки, сейсмостроение, конструкционные колонны, анализ методом конечных элементов, внеплоскостное поведение